专利名称：熔化硅的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于熔化硅的方法，本发明还涉及用于熔化硅的系统。
背景技术：
硅是各种半导体元件(尤其是微处理器或者太阳能电池)的原材料，对该材料有 很高的纯度要求。通常通过化学气相沉积(即，所谓的化学气相沉积工艺，简称CVD工 艺)大规模地获得硅。在此通常从硅烷卤化物的化合物(尤其是三氯硅烷)中化学地分离 出硅，并且将其沉积在加热后的晶芯的表面上作为纯净的多晶硅。这种方法大体上就是 所谓的"西门子法"，其通常是在所谓的"西门子反应器"中完成的(例如参见DE26 09 564C2或者EP 1 257 684B1)。在此通常采用通过电流流过而加热的薄硅棒作为晶芯；通 过沉积多晶硅，这些薄硅棒的直径或者体积得到了增大。这种薄晶芯棒通常呈U形地布 置(仍然参见DE26 09 564C2)。随着硅的沉积，该薄晶芯棒将成长为实体的U形硅棒。 图2示意性示出在完成了沉积之后的这种硅棒。通常也可以按照其他几何形状(例如管 形)来进行沉积(例如参见EP 1 257 684Bl)。 这种借助CVD处理得到的硅通常纯度极高，但是在这种处理过程中得到的原 材料由于其形状或者结晶度，在未经其他措施的情况下，不能对其进行进一步加工。另 外，视应用目的而定，还必须进行彻底清洁或者一般性处理。因此在这些情况的每一种 情况中，都必须首先熔化这些硅原材料。为此，首先使得硅原材料(如所述的呈U形的 硅棒或者硅管)变成小块，随后在坩埚内熔化这些硅碎块。 一方面，硅是非常脆的；另 一方面在实际的实施方式中，硅是比较硬的。因此，通常采用机械力作用来破碎这些硅 原料。这通常通过类似于矿山采矿的破碎方式来实现。 由于与相应的破碎装置相接触，因此硅材料中混入了污染物，这些污染物可能 会对半导体元件产生不良影响，因此接下来要必须要再次去除这些污染物。因此，在破 碎之后，按照化学湿法来表面腐蚀硅原料的碎块，并繁杂地干燥它。另外，由于表面积 大幅度地变大，必须将清洁后的碎块大体积地包装起来，从而避免再次引入污染物。
为了避免繁杂的破碎步骤以及后续的清洁步骤，已经尝试了在未经破碎的情况 下将硅原料直接放入相应的坩埚内熔化。但是在这里，硅的很高的超过1400摄氏度的熔 融温度是十分棘手的。这样，为了熔化大体积的硅棒，必须将坩埚加热至远超硅熔融点 的程度，此时在坩埚内部，坩埚壁将受到侵蚀，并且分离出方石英；在硅再次硬化时， 方石英将对结晶面产生不良影响，进而对硅的质量产生消极影响。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种方法以及一种系统，通过它们可以在尽量少 地引入污染物且不消极影响坩埚壁的情况下熔化硅原料。 本发明的方法将硅块布置在可加热的坩埚内。在此，硅块首先可以被理解为一 块硅原料，其原则上可以具有任意几何形状。只要硅原料的尺寸允许，也可以将一整块硅原料(例如完整的U形硅棒)作为硅块布置在坩埚内。在将一个或多个硅块布置在坩 埚内时，在坩埚壁和硅块之间、或者在硅块的实体部分之间以及在各个硅块之间都将出 现空腔。以硅粒来至少部分地填充这些空腔的至少一部分。在此，硅粒应该被理解为硅 颗粒的混合，它们通常可以具有任意的几何形状，当然具有比硅块明显小得多的尺寸， 因此可以用它们来至少部分地填充所形成的这些空腔。硅粒尤其可以具有所谓的精细硅 碎块(Siliziumfeinbruch)的形式。精细硅碎块应该被理解为精细的硅碎块，例如贝壳状断 口的碎块(Muschelausbrachst lick)。
然后加热坩埚。 由于按照所述以硅粒至少部分地填充了空腔，因此在坩埚壁和硅块之间存在较 好的热传导能力，从而热量可以更好地从坩埚壁传递至硅块。结果是，无需将坩埚加 热至远超硅熔融温度的程度、或者仅需要将坩埚加热至超过硅熔融温度较小的程度，就 可以将本身很大或者无定形的硅块加热至或者超过硅的熔融温度，而且同时不会损坏坩 埚。 硅原料的常见尺寸不允许将一整块硅原料布置在坩埚内。根据本发明的一个实 施例，从硅原料截取硅块，并且按照使得所述硅块能够布置在可加热的坩埚内的方式来 确定硅块的尺寸。在此，最好如此确定硅块的尺寸，即，按照适当尺寸从硅原料截取硅 块。 本发明方法的一个改进方式包括以受控的方式从硅原料截取硅块。在此，"以 受控的方式进行截取"应该被理解为沿着预定分离线截取硅块，并且与在例如破碎时的 情况下的分离线相比，所述预定分离线是以较低的偶然性得到的、或者是以不更高的偶 然性得到的。"以受控的方式截取硅块"可以借助激光分离、水束切割或者锯来实现。 带锯、内径锯或者网锯均可以应用作为所述锯，这与通常在从硅板或者硅棒锯得硅片时 应用它们的方式一样。也可以采用其他受控的截取方法，例如通过磨轮或者圆锯；但是 相对于激光分离、水束切割或者锯，它们会在这些硅块中引入过多的污染物。
"以受控的方式截取硅块"允许制备大体积硅块，所述大体积硅块最好具有使 得硅块能够以节约空间的方式被布置在坩埚内的几何形状。应用大的硅块进一步降低了 污染物的引入，因此可以避免必要时需要的硅块清洁(例如表面腐蚀)，或者仅需要在分 离面处执行这种清洁。在实践中，在至少一个延伸方向上大于10cm的硅块被证明是有效 的。 在本发明的一个有利的实施方式中应用了硅粒，其颗粒的直径大约为0.3mm至 10mm。这样的优点在于，能够简单地填充大部分空腔。 一个特别优选的实施方式包括 应用颗粒直径大约为0.3mm至2mm的硅粒，这是因为由此可以更好地填充这些空腔。
按照有利方式，可以通过所谓的流化层法或者流化床法得到所述硅粒的颗粒。 这带来以下优点，即，在制成之后这些颗粒就处于比较纯净的形态，于是在坩埚内的应 用之前，无需附加的清洁。当然，原则上也可以采用破碎后的硅原料或者精细硅碎块作 为硅粒。虽然如前所述的那样，在添加到坩埚内之前要对其进行清洁，但是待清洁的 硅的量减少了，这是因为清洁后的硅粒仅用于填充空腔；相比之下坩埚体积的绝大多数 是由硅块占据的，在理想情况下这些硅块无需清洁或者仅需要对更小得多的面积进行清 洁。 如开始部分所述，通过西门子法通常得到呈硅棒或者硅管形态的硅，在此该硅棒或者硅管是指各种形状的硅棒或硅管，尤其是直线的、弧形的、弯曲的或者之前所述 的U形的棒或管。从棒或者管可以简单地截取硅块，尤其是以受控的方式进行所述截 取，其做法是截取一定长度的棒或者管。在此，截取一定长度得到的块形成了硅块， 其由于规则的形状能够比较简单且以节约空间的方式被布置在坩埚内。因而，本发明的 另一可行实施方式包括采用硅棒或者硅管作为硅原料。 本发明的一个有利改进方式还包括，硅块的截取是通过将硅棒或者硅管截断成 一定长度的短硅棒或者短硅管来实现的，所述短硅棒或者短硅管的长度大约相当于坩埚 的开口宽度。可以按照这种方式将短硅管或者短硅棒以节约空间的方式被布置在坩埚 内，这使得尽可能地减小了分离面，进而降低了与此相关的污染危险。 在此，开口宽度应该被理解为坩埚开口在大体任意的方向上的延展，最好应被 理解为坩埚开口在坩埚最大延伸方向上的延展。
目前在工业领域中应用的坩埚大多具有正方形的开口，其边长大约为35cm、大 约为42cm、大约为54cm或者大约为69cm。在这种情况下，所述边长相当于坩埚的开口 宽度。在实践中证明有利的是，将硅棒或者硅管截断成长度大约为30cm至35cm、大约 为37cm至42cm、大约为48cm至54cm或者大约为60cm至69cm的短硅棒或者短硅管。 按照这种方式，能够减少分离面的产生，进而能够降低与其相关的引入污染物的危险。 但是，原则上也可以应用更短的短硅棒或者短硅管。 已经证实的是，当这些空腔的60%至98%被填充了硅粒时，就能够显著地降低 消极影响坩埚壁的危险。当这些空腔的85%至98%被填充了硅粒时，就特别有效地降低 了破坏的危险并且减少了能量消耗。 根据本发明的用于熔化硅的系统包括可加热的坩埚，在该坩埚内布置硅块。在 坩埚壁和硅块之间或者在硅块的实体部分之间形成了一些空腔；以硅粒来至少部分地填 充这些空腔的至少一部分。 这种系统使得执行本发明的方法成为可能。为了能够有效地利用本发明的上述 优点，该系统的一个改进方式包括，这些硅块在至少一个延展方向上大于10cm。
该系统的一个优选的实施方式包括，硅粒颗粒的直径大约为0.3mm至2mm，这 是因为这些颗粒表现得易于注入且能够有效地填充这些空腔。如前述，有利的是，用硅 粒填充这些空腔的60%至98%，或者最好填充这些空腔的85%至98%。
在本系统的一个有利的可行实施方式中，采用短硅棒或者短硅管作为硅块，最 好采用长度相当于坩埚开口宽度的所述短硅棒或者短硅管，这是因为这能够有效地充分 利用坩埚，同时能够降低引入污染物的危险。
下面将结合附图进一步描述本发明。附图中 图1示意示出了本发明方法的一种可行实施方式的原理； 图2示出了根据现有技术的构成了硅原料的U形硅棒； 图3示意示出了本发明系统的第一实施例的剖视图； 图4示意示出了本发明系统的第二实施例的剖视图； 图5示出了本发明系统的第三实施例；
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图6示出了本发明系统的第四实施例的剖视图。
具体实施例方式
图1示出了本发明方法的一种可行实施方式的流程。按照该可行实施方式，首 先从硅原料中分离出硅块(步骤40)。这里首先考虑采用U形硅棒2作为硅原料。图2 示出了这种U形硅棒的一个例子，该U形硅棒例如可以在西门子反应器中获得。
分离得到的硅块大体上为不规则形状的硅块4，图3示例性示出了硅块4。另一 方面，硅块也可以是短硅棒14、 14a、 14b、 14c、 14d和14e，参见图4和图5所示的实施 例。 在本发明的方法中，接下来将硅块4、 14布置在可加热的坩埚6内(步骤42)。 在将硅块4、 14、 24布置42在坩埚6内的同时，以硅粒8、 18、 28来填充(步骤44)在坩 埚壁7和硅块4、 14、 24之间出现的、或者在硅块4、 14、 24的实体部分之间出现的空腔 10。
接下来加热坩埚6(步骤46)，使硅块4、 14、 24以及硅粒8、 18、 28均被熔化。
图3示出了本发明系统的一个实施例；其中，硅块4是以不规则的方式成形的。 硅块4例如是破碎后的硅原料中较大的碎块，如之前所述的那样，通常预先对其进行清 洁。由于硅块4不均匀的形状，在坩埚壁7和硅块4之间或者在各个硅块4之间出现了 比较大的空腔IO。在图3的视图中，以硅粒8来填充所有这些空腔。
在图4和5所示的本发明系统的实施例中，硅块为短硅棒14。如在图4的剖视 图中可以看到的，受控地截取的短硅棒14使得能够将硅块(S卩，短硅棒14)以更高比例填 充到坩埚6内。因此需要较少量的硅粒18来填充仍然存在的空腔10。视所采用的可能 需要繁琐地清洁的硅粒18的类型而定，这种方式可以带来成本优势。
如图4所示，在该实施例中硅粒18既包括粗颗粒19a也包括细颗粒19b。在此， 硅粒例如是在破碎硅原料时出现的颗粒，通常在将这些颗粒施加到坩埚内之前，需要清 洁它们，以避免携带污染物进入。然而，与现有技术相比，仅需要清洁较少量的硅，这 是因为坩埚容量的大部分已经被短硅棒14占据了 ；在相应的清洁处理时，无需对短硅棒 14进行清洁，或者最多仅需要对分离面进行清洁。 图5的视图中更清楚地示出了这一点，图5示出了本发明系统的另一个实施例； 在该可行实施例中，仍然采用短硅棒14a、 14b、 14c、 14d、 14e作为硅块，其中，短硅棒 14a、 14b、 14c、 14d及14e的长度大约相当于坩埚6的开口宽度5，因此可以规则地布置 短硅棒14a、 14b、 14c、 14d及14e，这使得有效地利用了坩埚容量。
因为短硅棒14是弯曲的，因此采用弯曲的或者U形的硅棒作为硅原料。在该实 施例中，作为硅粒20的颗粒具有大约0.2mm至3mm的直径。于是可以通过硅粒20来 填充那些甚至较小的空腔10，从而能够特别高效地将热量从坩埚壁7传递到短硅棒14a、 14b、 14c、 14d及14e。
硅棒以及短硅棒14a、 14b、 14c、 14d及14e的圆形横截面导致 在图5中并排排列的短硅棒仅沿着小的面积彼此接触。在这些接触面之下(在图5中不 能看到)以及之上的空腔至少部分地以硅粒填充，于是在各个短硅棒14a、 14b、 14c、 14d 及14e之间也可以实现高效的热传导。 图6示意示出了本发明系统的第四实施例，在此采用短硅管24、 25作为硅块。 它们具有不同的直径，于是可以将具有小直径的短硅管25布置在具有大直径的短硅管24内。另选或者附加地，可以采用硅粒28来填充短硅管24、 25的内部空间，所述内部空 间显然是短硅管24、 25的实体表面之间的空腔10。在该实施例中，硅粒28完全是由细 颗粒19b构成的，这些细颗粒19b优选地具有大约为0.2mm至3mm的直径。
对于专业人士来说，在不同的实施例中可以将硅块以及硅粒的各种可行实施方 式加以交换。例如，来自图4实施例的硅粒18同样也可以用在图3、 5和6的实施例中。 同样，图3实施例中的短硅管24、 25也可以代替那里的硅块4。同样，也可以组合各种 类型的硅块4、 14、 24、 25或者各种类型的硅粒8、 18、 20、 28。而且明显还存在本发明 的其他可行实施方式。附图标记列表2-U形硅棒4-硅块5-坩埚开口宽度6-坩埚7-坩埚壁8-硅粒10-空腔14-短硅棒14a-短硅棒14b-短硅棒14c-短硅棒14d-短硅棒14e-短硅棒18-硅粒19a-粗颗粒19b-细颗粒20-硅粒24-具有大直径的短硅管25-具有小直径的短硅管28-硅粒40-截取硅块42-布置在坩埚内44-填充空腔46-加热坩埚
权利要求
一种熔化硅的方法，在所述方法中将硅块(4、14、24)布置(42)在可加热的坩埚(6)内，并加热(46)所述坩埚(6)，其特征在于在将所述硅块(4、14、24)布置(42)在所述坩埚(6)内的同时，至少部分地以硅粒(8、18、20、28)来填充(44)在坩埚壁(7)和所述硅块(4、14、24)之间出现的空腔(10)或者在所述硅块(4、14、24)的实体部分之间出现的空腔(10)的至少一部分。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于从硅原料(2)截取(40)所述硅块(4、 14、 24)，并且按照使得所述硅块能够布置在所述坩埚(6)内的方式确定(40)所述硅块的尺寸，其中，最好通过从所述硅原料(2)截取(40)所述硅块(4、 14、 24)来实现所述硅块尺寸的确定。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以受控的方式截取(40)所述硅块(4、 14、 24)。
4. 根据权利要求2至3之一所述的方法，其特征在于可以采用下列这组工艺中的一种工艺来截取(40)所述硅块(4、 14、 24)，这组工艺包括激光分离、水束切割和锯，所述锯尤其包括网锯、带锯或者内径锯。
5. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所采用的硅块(4、 14、 24)在至少一个延展方向上大于10cm。
6. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所采用的硅粒(8、 18、 20、 28)由最大直径大约为10cm的颗粒(19a、 19b)组成。
7. 根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于所采用的硅粒(20、 28)的颗粒(19b)的直径大约为0.3mm至10mm、优选为0.3mm至2mm。
8. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，采用下述组中的元件作为硅原料(2)，所述组包括硅棒(2)和硅管。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所采用的硅原料(2)通过化学气相沉积制成，优选地通过西门子法制成。
10. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，对所述硅块(4、 14、 24)的截取(40)是通过将硅棒(2)或者硅管截断成一定长度的短硅棒(14、 14a、 14b、 14c、 14d、 14e)或者短硅管(24、 25)来实现的，所述短硅棒或者短硅管的长度优选地大约等于所述坩埚(6)的开口宽度(5)。
11. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，采用硅粒(8、 18、 20、 28)来填充这些空腔(10)的60%至98%，优选地填充这些空月空(IO)的85%至98%。
12. —种用于熔化硅的系统，该系统包括可加热的坩埚(6);布置在所述坩埚(6)内的硅块(4、 14、 24);在坩埚壁(7)和所述硅块(4、 14、 24)之间或者在所述硅块(4、 14、 24)的实体部分之间形成的空腔(IO);其特征在于，至少部分地以硅粒(8、 18、 20、 28)来填充这些空腔(10)的至少一部分。
13. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述硅块(4、 14、 24、 25)在至少一个延展方向上大于10cm。
14. 根据权利要求12或13所述的系统，其特征在于所述硅粒(8、 18、 20、 28)，所述硅粒的颗粒(19a、 19b)的最大直径大约为10cm。
15. 根据权利要求12或13所述的系统，其特征在于所述硅粒(20、 28)，所述硅粒的颗粒(19b)的直径大约为0.3mm至10mm，优选地为0.3mm至2mm。
16. 根据权利要求12至15之一所述的系统，其特征在于，作为硅块的是短硅棒(14、 14a、 14b、 14c、 14d、 14e)或者短硅管(24、 25)，所述短硅棒或者短硅管的长度优选地大约等于所述坩埚(6)的开口宽度(5)。
17. 根据权利要求12至16之一所述的系统，其特征在于，采用硅粒(8、 18、 20、 28)来填充这些空腔(10)的60%至98%，优选地填充这些空月空(IO)的85%至98%。
全文摘要
本发明涉及一种熔化硅的方法以及一种用于熔化硅的系统，在所述方法中，从硅原料(2)截取(40)硅块(4、14、24)，其中，按照使得硅块能够布置在坩埚(6)内的方式确定硅块(4、14、24)的尺寸；将硅块(4、14、24)布置在坩埚(6)内；并且加热坩埚(6)，其中，在将硅块(4、14、24)布置(42)在坩埚(6)内的同时，至少部分地以硅粒(8、18、20、28)来填充(44)在坩埚壁(7)和硅块(4、14、24)之间出现的、或者在硅块(4、14、24)的实体部分之间出现的这些空腔(10)的至少一部分。
文档编号C01B33/021GK101691220SQ20091014399
公开日2010年4月7日 申请日期2009年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者阿尔伯利切特·莫泽尔 申请人:岑特罗特姆硅技术有限公司